Audio EQ: Was ist ein Hochpassfilter & wie funktionieren HPFs?
Wenn Sie Musikproduktion oder Tontechnik studieren und üben, werden Sie definitiv auf Hochpassfilter stoßen. Hochpassfilter sind leistungsstarke Werkzeuge, die in der Entzerrung und im allgemeinen Audiodesign verwendet werden.
Was ist ein Hochpassfilter? Ein Hochpassfilter (HPF) „passiert“ die hohen Frequenzen über ihrer Grenzfrequenz, während die Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz progressiv abgeschwächt werden. Mit anderen Worten, Hochpassfilter entfernen niederfrequente Inhalte aus einem Audiosignal unterhalb eines definierten Grenzwerts.
In diesem Artikel werfen wir einen detaillierten Blick auf Hochpassfilter und behandeln, wie sie funktionieren, wie sie entworfen sind und wie sie verwendet werden, nicht nur im EQ, sondern auch in anderen Audioanwendungen.
Das Studium der elektronischen Filter geht tief. In diesem Artikel konzentrieren wir uns so weit wie möglich auf Hochpassfilter im Zusammenhang mit Audio, um den Beitrag auf einer angemessenen Länge zu halten. Bitte beachten Sie das Inhaltsverzeichnis, um zu den Informationen zu gelangen, die Sie benötigen.
Inhaltsverzeichnis
- Was ist ein Hochpassfilter?
- Analoge vs. digitale Hochpassfilter
- Aktive vs. passive Hochpassfilter
- Mischen mit Hochpassfiltern
- Andere Anwendungen von Hochpassfiltern in Audio
- Verwandte Fragen
Was ist ein Hochpassfilter?
Der einleitende Antwortabsatz gab uns den Kern dessen, was ein Hochpassfilter im Kontext von Audio ist. Es gibt jedoch noch viel, viel mehr über diese Art von Filter zu lernen. Beginnen wir mit den Grundlagen.
Bisher wissen wir, dass ein Hochpassfilter hohe Frequenzen über einen bestimmten Grenzwert „durchlässt“ und Frequenzen unterhalb dieses Punktes abschwächt. Hochpassfilter werden manchmal als Low-Cut-Filter bezeichnet und beide Titel beziehen sich darauf, wie sich der Filter auf die Frequenzen des Signals auswirkt.
Der ideale Hochpassfilter
In einer idealen Welt würde ein Hochpassfilter alle Frequenzen unterhalb einer definierten Grenzfrequenz abschneiden und alle Frequenzen oberhalb des Grenzwerts völlig unberührt lassen.
Dieser ideale Filter wird manchmal als „Brickwall“ -Filter bezeichnet und ist in der Praxis nicht erhältlich. Theoretisch würde ein idealer Hochpassfilter dem folgenden Frequenzamplitudendiagramm ähneln:
In diesem Diagramm (und vielen der kommenden Diagramme) haben wir Frequenz entlang der x-Achse (gemessen in Hertz oder „Hz“) und relative Amplitude entlang der y-Achse (gemessen in Dezibel oder „dB“).
Die Frequenz wird in Hertz gemessen, was sich auf Zyklen pro Sekunde bezieht. Der allgemein akzeptierte Bereich des menschlichen Gehörs ist innerhalb von 20 Hz und 20.000 Hz definiert. Daher haben viele Audiomischungen Inhalte in diesem Bereich. Natürlich können Audiosignale (das sind Wechselspannungen in analoger Form und binäre Darstellungen in digitaler Form) Frequenzinhalte außerhalb dieses Bereichs haben. Infraschall- (< 20 Hz) und Ultraschallfrequenzen (<20.000 Hz) sind jedoch bei der Wiedergabe nicht wahrnehmbar und werden normalerweise entfernt.
Die relative Amplitude wird in Dezibel (Zehntel Bel) gemessen. Diese relative Maßeinheit drückt das Verhältnis einer Amplitude zur anderen auf einer logarithmischen Skala aus. Wenn es um die Signalamplitude geht, führt eine Differenz von 3 dB zu einer Verdoppelung/Halbierung der Leistungsgrößen (Leistung und letztendlich Schallintensität). Eine Differenz von 6 dB führt zu einer Verdoppelung/Halbierung der Grundleistungsgrößen (Spannung/Strom und letztendlich Schalldruckpegel).
In der obigen Grafik, die einen idealen Hochpassfilter zeigt, haben wir eine Grenzfrequenz bei 1 kHz (1.000) Hz. Alle Frequenzen über 1 kHz werden perfekt und unverändert übertragen und alle Frequenzen unter 1 kHz werden vollständig aus dem Ausgang eliminiert.
Obwohl es unmöglich ist, dies mit analogen oder digitalen Mitteln zu erreichen, gibt es Möglichkeiten, sich derist eine Art Ideal-/Brickwall-Hochpassfilter.
Bei analogen HPFs bringt uns die Erhöhung der Filterreihenfolge näher an die Steilheit eines idealen Filters um die Grenzfrequenz.
In digitalen LPFs können auch so programmiert werden, dass sie sich einem solchen idealen „Brickwall“ -Filter annähern.
Dazu später mehr.
Hochpassfilter aus der Praxis
Im Gegensatz zum idealen HPF haben reale Hochpassfilter eine Art Übergangsbereich, in dem die Dämpfung unterhalb der Grenzfrequenz abrollt.
Ein typischer Hochpassfilter kann leicht in der folgenden EQ-Tabelle visualisiert werden:
Lassen Sie uns ein paar Dinge beachten, wenn wir uns das Bild oben ansehen.
Das erste, was zu bemerken ist, ist, dass der HPF Frequenzen unterhalb eines bestimmten Punktes um eine stetige Steigung dämpft. Wenn die Frequenz unter den Cutoff fällt, sinkt auch die Amplitude.
Diese Grenzfrequenz, bezeichnet durch fC, geschieht am -3 dB-Punkt und nicht genau an dem Punkt, an dem die Dämpfung beginnt. Diese Grenzfrequenz von -3 dB ist bei fast allen Filtern Standard, natürlich auch bei Hochpassfiltern.
Erinnern Sie sich an unsere vorherige Diskussion über Dezibel. Der Grenzfrequenzpunkt von -3 dB stellt den Punkt dar, an dem die Leistung des Signals um die Hälfte reduziert wird.
HPF Passband, Stoppband & Übergangsband
Nun, da wir wissen, dass echte HPFs ein Übergangsband und nicht nur ein Durchlassband und ein Stoppband haben, sollten wir wahrscheinlich diese drei verschiedenen Frequenzbereiche / -bänder diskutieren.
Beginnend mit dem Durchlassband hat ein Hochpassfilter technisch gesehen ein Durchlassband von seiner Grenzfrequenz bis unendlich. Natürlich ist dies weitgehend durch die Komponenten einer Schaltung an die Grenzen einer digitalen Abtastrate beschränkt. Es ist auch typisch, dass ein Audiosignal nicht viele Informationen über 20 kHz hat (wenn überhaupt).
Das Durchlassband ist effektiv das Band, das ohne Dämpfung durchgelassen wird. Davon abgesehen hat die typische HPF einen gewissen Einfluss auf die Signalamplitude und Phase im Durchlassband in der Nähe der Grenzfrequenz.
Das Stoppband eines Hochpassfilters liegt irgendwann unter der Grenzfrequenz, sobald die Dämpfung einen ausreichenden Punkt erreicht hat. Dies kann oft als -50 dB-Punkt definiert werden, aber je nach Anwendung können auch andere Dämpfungspunkte verwendet werden. Technisch gesehen wird sich das Stoppband am Tiefpunkt auf 0 Hz erstrecken.
HPFs haben im Allgemeinen ein Übergangsband zwischen dem Stoppband und dem Durchlassband, wenn der Filter die Amplitude unterhalb der Grenzfrequenz abrollt. Die Bandbreite dieses Übergangsbereichs hängt von der Steigung des Abrollens (bestimmt durch die Art der HPF und die Reihenfolge des Filters) und der Dämpfungsschwelle des Stoppbandes ab.
Bestellung von Hochpassfiltern
Elektronische Filter werden oft durch ihre Reihenfolge beschrieben. Hochpassfilter sind relativ einfache Filter und ihre Reihenfolge definiert die Steigung ihrer Übergangsbänder (auch bekannt als Roll-off-Rate).
Die Reihenfolge eines Filters ist eine positive ganze Zahl. Bei analogen HPFs ist die Reihenfolge technisch definiert als die Mindestanzahl reaktiver Elemente (nämlich Kondensatoren), die von der Filterschaltung benötigt werden. Beachten Sie, dass, obwohl Kondensatoren am häufigsten sind, Induktivitäten in einigen passiven HPFs gefunden werden können.
Mit dem Standard-Butterworth-HPF erhöht jede ganzzahlige Erhöhung der Ordnung die Steilheit der Roll-off-Rate um zusätzliche 6 dB/Oktave oder 20 dB/Dekade.
Bei digitalen Hochpassfiltern spielt die Ordnung immer noch eine Rolle bei der Bestimmung der Steigung des Filters, obwohl sie offensichtlich nicht die Anzahl der reaktiven Komponenten in der Schaltung zählt (da es keine gibt).
Eine Oktave ist definiert als eine Verdoppelung (oder Halbierung) der Frequenz und ein Jahrzehnt ist definiert als eine zehnfache Zunahme (oder Abnahme) der Frequenz.
Eine Erhöhung der Reihenfolge in jedem HPF-Typ wird die Roll-off-Rate effektiv steiler machen.
Im Bild unten habe ich 5 verschiedene Butterworth-Hochpassfilter mit den Ordnungen 1 bis 5 vorgestellt:
Während die Grenzfrequenz (-3 dB-Punkt) jedes Filters bei 1 kHz übereinstimmt, können wir sehen, dass die Abrollrate steiler wird, wenn wir vom Filter erster Ordnung (rot/1) zum Filter fünfter Ordnung (rosa/5) wechseln.
Wir können sehen, dass mit zunehmender Ordnung der Tiefpassfilter einem idealen Filter näher kommt und dass das Übergangsband enger wird (nehmen wir den Schwellenwert von -50 dB).
Q-Faktor des Hochpassfilters
Beachten Sie, dass einige Hochpassfilter über eine Q-Faktor-Steuerung verfügen. Dies ist insbesondere bei parametrischen EQ-Plugins und digitalen EQ-Einheiten der Fall, bei denen der Filter nicht als bestimmter Typ (Butterworth, Bessel, Chebyshev, Elliptic usw.) ausgelegt ist.
Obwohl der Q-Faktor eine technische Definition hat, wird er oft ignoriert. wodurch der Parameter etwas willkürlich wird. Viele Hersteller werden ihre eigene „Version“ von Q haben.
Im Allgemeinen wird jedoch die Erhöhung des Q-Faktors eines HPF die Abrollneigung steiler machen, während sich eine Resonanzspitze bei und unter der Grenzfrequenz bildet.
Umgekehrt erhöht die Verringerung des Q-Faktors eines HPF die Dämpfung bei und unter der Grenzfrequenz, während die Abrollneigung allmählicher wird.
Die EQs, die eine Q-Faktor-Steuerung für den Hochpassfilter bieten, verfügen in der Regel über eine Grafik, die Ihnen grafisch zeigt, wie sich der Filter auf das Signal auswirkt, um Verwirrung zu vermeiden.
Hochpassfilter & Phasenverschiebung
Es ist wichtig zu beachten, dass Hochpassfilter nicht nur die Amplitude des Signals, sondern auch die Phase des Signals beeinflussen. In den meisten Filtern (und allen analogen Filtern) gibt es eine gewisse frequenzabhängige Phasenverschiebung zwischen dem Eingangssignal und seinem Ausgangssignal.
Im Allgemeinen führt jede reaktive Komponente in einem analogen Filter zu einer Phasenverschiebung von 90º im Signal. Für analoge Hochpassfilter (und die digitalen Filter, die darauf abzielen, sie im digitalen Bereich nachzubilden) bedeutet dies, dass die Filterreihenfolge um 90º Phasenverschiebung pro Ganzzahl erhöht wird.
Bei Standard-Butterworth-Hochpassfiltern erfolgt die Hälfte der gesamten Phasenverschiebung durch die Grenzfrequenz. Wenn die gesamte Phasenverschiebung 90º beträgt (wie bei einem Filter erster Ordnung), beträgt die Phasenverschiebung bei der Grenzfrequenz 45º. Wenn die Summe 360º beträgt, hat die Grenzfrequenz eine Phasenverschiebung von 180º.
Hier ist eine visuelle Darstellung eines Butterworth-Hochpassfilters erster Ordnung mit Amplitudenfrequenz- und Phasenfrequenzgraphen:
Im Abschnitt über digitale Hochpassfilter werden lineare Phasen-EQ/Filter besprochen, die darauf ausgelegt sind, Phasenverschiebungen zu eliminieren und gleichzeitig die Amplitudenfilterung typischer Hochpassfilter beizubehalten.
Analoge vs. digitale Hochpassfilter
Wie der Name schon sagt, filtern analoge HPFs analoge Audiosignale und sind mit analogen Komponenten (Widerständen, Kondensatoren, Operationsverstärkern usw.) ausgestattet, während digitale HPFs digitale Audiosignale filtern, die entweder in digitale Chips eingebettet oder in Software / Plugins programmiert werden.
Lassen Sie uns in diesem Abschnitt eine gründlichere Diskussion über analoge und digitale Hochpassfilter führen.
Analoge Hochpassfilter
Analoge Filter sind im Vergleich zu ihren digitalen Gegenstücken relativ einfach zu verstehen. Ein grundlegendes Verständnis von elektrischen Schaltkreisen und Mathematik sollte uns durch eine Lektion über analoge Audio-Hochpassfilter bringen.
Dies ist bei digitalen HPFs nicht unbedingt der Fall. Tatsächlich sind digitale Schaltungen und Codierung jenseits meiner Fähigkeiten und so werde ich dort nicht zu sehr ins Detail gehen. Vielmehr erkläre ich, wie analoge Hochpassfilter aufgebaut sind und wie sie funktionieren.
Viele digitale Hochpassfilter sind einfach so konzipiert, dass sie den Effekt ihrer analogen Gegenstücke nachbilden, so dass ein Verständnis von analogen HPFs zumindest für das Allgemeinwissen einigermaßen übersetzbar sein sollte.
Lassen Sie uns nun auf analoge HPFs eingehen. Ich werde viele Gleichungen und Diagramme hinzufügen, um bei der Erklärung zu helfen.
Um die Grundlagen der Funktionsweise eines Hochpassfilters wirklich zu verstehen, können wir einen einfachen passiven RC (Widerstandskondensator) LPF erster Ordnung untersuchen. Dieser Filter kann mit dem folgenden Bild visualisiert werden:
Die obige Schaltung kann sich ähnlich wie ein Spannungsteiler vorstellen:
Im obigen Schema leiten wir die folgende Formel ab:
Mit einem Spannungsteiler haben wir eine Situation, in der als R2 erhöht, Vaus Steigerungen (unter der Annahme von R1 bleibt konstant). Denken Sie daran, da es sich auf die einfache RC-Hochpassfilterschaltung übertragen lässt.
Wenn wir einfach die Widerstände des DC-Spannungsteilers mit den Komponenten der RC-HPF-Schaltung austauschen würden, dann würde R1 würde zum Kondensator und R werden2 würde zum Widerstand werden.
Wenn wir es mit einfacher Gleichspannung zu tun haben, müssen wir uns nur mit dem elektrischen Widerstand befassen. Wenn wir zur Wechselspannung wechseln (so werden analoge Audiosignale dargestellt), müssen wir die Impedanz verwenden, die eine Kombination aus Gleichstromwiderstand und Wechselstromreaktanz ist.
Wenn wir also, sagen wir, ein Audiosignal bei V haben.in mit Frequenzinhalten zwischen 20 Hz und 20.000 Hz (dem menschlichen Hörbereich), dann haben wir ein Wechselstromsignal. Wechselstromsignale unterliegen der Impedanz, die sowohl Phase als auch Größe hat und sich aus dem Widerstand und der Reaktanz einer Schaltung zusammensetzt.
In einer idealen Welt (die wir verwenden werden, um RC Low zu verstehen-Passfilter), ist die Reaktanz eines Widerstands Null und der Widerstand eines Kondensators Null. Daher wird die Widerstandskomponente der Schaltungsimpedanz ausschließlich vom Widerstand stammen. In ähnlicher Weise wird die Reaktanzkomponente der Schaltungsimpedanz ausschließlich vom Kondensator stammen.
Schauen wir uns noch einmal unseren einfachen passiven analogen RC-Hochpassfilter-Schaltplan an:
Aus diesem Schaltplan können wir eine Variable der Spannungsteilergleichung austauschen, um Folgendes zu erhalten:
Wo:
• Z ist die Gesamtimpedanz der Schaltung
• R ist der Widerstand des Widerstands
Denken Sie daran, dass die Impedanz aus den Widerstands- und Reaktanzkomponenten der Schaltung besteht. Die typische Impedanzformel lautet:
wobei XL ist die induktive Kapazität. Da es keine Induktivität in der RC-Schaltung gibt, XL gleich Null ist.
Lassen Sie uns unsere RC-Ausgangsspannung mit diesen neuen Informationen schnell neu schreiben:
Kommt Ihnen das bekannt vor? Es ist fast das gleiche wie der einfache Spannungsteiler.
In Ordnung, so können wir den einfachen Spannungsteiler effektiv mit einem einfachen RC-Hochpassfilter erster Ordnung vergleichen. Unter der Annahme, dass R konstant bleibt (eine sichere Annahme), ist es die kapazitive Reaktanz (XC) des Kondensators, der die Vaus im Vergleich zum Vin. Genauer gesagt, als das XC erhöht, das Vaus wird abnehmen.
Wie gilt das für einen Hochpassfilter? Nun, die Blindkapazität des Kondensators nimmt ab, wenn die Frequenz des Eingangssignals zunimmt. Die Formel dafür lautet wie folgt:
Wo:
• f ist die Frequenz des Signals
• C ist die Kapazität des Kondensators
Damit haben wir die folgenden Regeln der RC-Hochpassschaltung:
- Mit zunehmender Frequenz nimmt die kapazitive Reaktanz ab
- Wenn die kapazitive Reaktanz zunimmt, nimmt der Ausgangssignalpegel relativ zum Eingangssignalpegel ab (vorausgesetzt, der Widerstand der Schaltung bleibt gleich).
Wenn die kapazitive Reaktanz zunimmt (wenn die Frequenz abnimmt), wird ein größerer Teil des Signals an die Masse als an den Ausgang gesendet.
Wenn also die Frequenzen niedriger werden, dämpft die Hochpassfilterschaltung den Ausgang immer mehr.
Es gibt einen Punkt (das Durchlassband), an dem eine Erhöhung der Frequenz den Ausgang und die Vaus wird (idealerweise) gleich dem V seinin.
Die Grenzfrequenz ist, wie wir bereits besprochen haben, der Punkt, an dem der Hochpassfilter das Signal um 3 dB dämpft und alles unterhalb der Grenzfrequenz Teil des Übergangsbandes und schließlich des Stoppbands ist (unterhalb einer bestimmten Dämpfungsschwelle).
Die Gleichung der Grenzfrequenz in unserem einfachen RC-Hochpassfilter lautet:
Wo:
• R ist der Widerstand des Widerstands
• C ist die Kapazität des Kondensators
Als zusätzliche Gleichung können wir die oben erwähnte Phasenverschiebung eines RC-Hochpassfilters mit folgender Gleichung berechnen:
Das ist so einfach wie es nur geht. Ich hoffe, es macht alles Sinn.
Analoge Hochpassfilter können immer komplexer werden, wenn die Bestellung zunimmt und aktive Komponenten (wie Operationsverstärker) enthalten sind. Je höher die Reihenfolge, desto näher kommt die Filterleistung der des „idealen Filters“. Beachten Sie, dass viele digitale Filter (einschließlich EQ-Plugins) diese analogen Filter emulieren.
Die Erhöhung der Reihenfolge erhöht die Roll-off-Rate und verkürzt das effektive Übergangsband.
Es gibt viele Filtertypen, die Sie beachten sollten. Bisher haben wir uns weitgehend auf den beliebten Butterworth-Filter konzentriert. Es gibt jedoch 3 Hauptfiltertypen (unter den vielen), die wir beachten sollten, wenn es um Audio geht. Sie sind:
- Butterworth Filter
- Bessel Filter
- Tschebyschew-Filter
Diese „Typen“ von Filtern sind abhängig von den Werten der Komponenten, die im Filterdesign verwendet werden, und dem Dämpfungsfaktor, der mit dem Filterdesign einhergeht. Die Untersuchung einzelner Hochpassfilterschemata würde den Rahmen dieses Artikels sprengen, aber diese beliebten Typen sind wissenswert.
Was ist ein Butterworth-Filter in Audio? Ein Butterworth-Filter (Maximally Flat Magnitude Filter) ist ein linearer analoger Filter, der einen möglichst flachen Frequenzgang im Durchlassband aufweist. Butterworth-Filter bieten kein übermäßig steiles Abrollen und werden häufig in Tief-/Hochpass- und Low/High-Shelf-Filtern eingesetzt.
Was ist ein Bessel filter in Audio? Ein Besselfilter ist ein lineares analoges Filter mit einer maximal flachen Gruppe oder Phasenantwort, um die Wellenformen von Signalen innerhalb des Durchlassbands zu erhalten. Besselfilter sorgen für einen sanften Frequenzabroll über die Grenzfrequenz hinaus und sind hauptsächlich für einen linearen Phasengang mit geringem Überschwingen ausgelegt.
Was ist ein Chebyshev-Filter in Audio? Ein Chebyshev-Filter ist ein linear analog Filter, der für ein sehr steiles Abrollen auf Kosten der Durchlassbandwelligkeit (Typ I) oder der Stoppbandwelligkeit (Typ II/Invers) ausgelegt ist.
Beachten Sie, dass der elliptische Filter (auch bekannt als Cauer-Filter) ein linearer analoger Filter mit entzerrter Welligkeit sowohl im Durchlassband als auch im Stoppband ist. Es bietet ein sehr steiles Übergangsband. Dies wird durch die Kombination eines Hochpassfilters und eines Bandstopp-/Notch-Filters erreicht.
Digitale Hochpassfilter
Die digitale Signalverarbeitung (DSP) und die kontinuierliche Verbesserung der Rechenleistung haben es ermöglicht, sehr leistungsfähige und flexible digitale Hochpassfilter herzustellen. Diese HPFs sind in der Regel viel präziser und vielseitiger als ihre analogen Gegenstücke.
Sie sind in der Regel auch kostengünstiger (insbesondere in Form von Software) und werden weniger von Temperatur und Feuchtigkeit beeinflusst.
Einige digitale HPFs sind so konzipiert, dass sie analoge LPFs emulieren (nur bei digitalen Signalen). In diesem Fall finden wir oft Butterworth, Bessel, Chebyshev und andere HPF-Filtertypen in digitalen Prozessoren.
Diese digitalen Filter können, wie bereits erwähnt, in Software / Plugins codiert oder in digitale Chips eingebettet werden. Sie haben keine analogen Komponenten.
Ein digitaler Tiefpassfilter passt in eines von zwei Lagern:
- Unendliche Impulsantwort (IIR)
- Finite Impulsantwort (FIR)
Was ist ein unendlicher Impulsantwortfilter in Audio? Ein IIR-Filter ist ein linearer zeitinvarienter analoger Filtertyp (der ebenfalls digitalisiert wurde), der mit einer Impulsantwort arbeitet, die unbegrenzt anhält und nie genau Null wird. Butterworth-, Chebyshev-, Bessel- und elliptische Filter sind Beispiele für IIR-Filter.
Was ist ein endlicher Impulsantwortfilter in Audio? Ein FIR-Filter ist ein Filter (analog oder digital, wenn auch fast immer digital), der mit einer Impulsantwort von endlicher Dauer arbeitet und sich innerhalb einer gewissen Zeit auf Null einpendelt. Es eignet sich gut für den linearen Phasen-EQ.
Apropos linearer Phasen-EQ, diese spezialisierten Equalizer sind auch hier erwähnenswert.
Ein linearer Phasen-EQ (der mit ziemlicher Sicherheit immer Hochpassfilteroptionen haben wird) eliminiert effektiv jede Phasenverschiebung innerhalb des Audioprozessors.
Rückruf im Abschnitt Hochpassfilter & Phasenverschiebung wie wir die unvermeidliche Phasenverschiebung analoger LPFs diskutierten (90º Phasenverschiebung für jede reaktive Komponente in der Schaltung).
Ein linearer Phasen-EQ (und Hochpassfilter) verwendet digitale Signalverarbeitung (DSP), um den Frequenzinhalt eines Signals zu analysieren und die Verstärkung über FIR-Filter (Finite Impulse Response) auf die entsprechenden Frequenzen anzuwenden, um auftretende Phasenverschiebungen zu eliminieren.
Das Fabfilter Pro-Q 3 EQ (Link zum Überprüfen des Preises bei Plugin Boutique) ist ein EQ-Plugin mit einem hervorragenden linearen Phasenmodus:
Zusammenfassung analoger und digitaler Hochpassfilter
Hier ist eine kurze Tabelle, um zusammenzufassen, was wir in diesem Abschnitt besprochen haben.
| Analoges Audio HPF | Digitales Audio HPF |
|---|---|
| Filtert analoge (zeitkontinuierliche) Audiosignale | Filtert digitale (zeitdiskrete) Audiosignale |
| Hergestellt aus analogen Komponenten | Eingebettet in digitale Chips (mit Addierern, Subtraktoren, Verzögerungen usw.), oder; In Software codiert |
| Eingeschränkte Funktionalität und Anpassungsfähigkeit | Vielseitiger in der Programmierung |
| Empfindlicher gegenüber Umweltveränderungen | Weniger empfindlich gegenüber Umweltveränderungen |
| Analoge Bauelemente führen zu thermischem Rauschen | Quantisierung führt zu digitalem Rauschen |
| Höhere Herstellungskosten | Geringere Herstellungskosten |
Aktive vs. passive Hochpassfilter
Ein weiterer großer kategorischer Unterschied, den wir bei Hochpassfiltern finden werden, ist der von aktiven Filtern und passiven Filtern. Aktive Filter haben aktive Komponenten (z. B. Operationsverstärker) und benötigen Strom, um zu funktionieren, während passive Filter nur passive Komponenten haben und keine Stromversorgung benötigen.
Die Kennzeichnung einer HPF als aktiv oder passiv gilt typischerweise nur für analoge Filter. Digitale Filter sind von Natur aus immer aktiv, unabhängig davon, ob sie in Hardware-Chips eingebettet oder in Software codiert sind.
Obwohl die meisten audio EQs (und Hochpassfilter durch Erweiterungen) werden aktive Einheiten sein, es ist erwähnenswert, die Unterschiede zwischen den beiden.
Passive Hochpassfilter
Wir haben den grundlegenden passiven RC-Hochpassfilter ausführlich im Abschnitt über Analoge Hochpassfilter. Daher sollten wir bereits ein gutes Verständnis für solche Schaltkreise haben.
Erlauben Sie mir, den grundlegenden Schaltplan eines passiven RC-Hochpassfilters erster Ordnung erneut zu veröffentlichen:
Wie bereits erwähnt, können wir die Roll-off-Rate des passiven HPF effektiv steiler machen, indem wir die Ordnung (Hinzufügen von Kondensator-Widerstands-Paaren) der Schaltung erhöhen. Ohne Verstärkung geht dies jedoch zu Lasten des Verlusts der Signalamplitude über das gesamte Frequenzspektrum. Dies geht auch zu Lasten eines verschlechterten Signal-Rausch-Verhältnisses, da das Signal mehr Komponenten ohne Puffer oder Verstärker durchlaufen muss.
Davon abgesehen benötigen HPFs nicht unbedingt eine Verstärkung. Schließlich haben sie nur die Aufgabe, Frequenzen zu schneiden und nicht die Frequenzen zu erhöhen. Das Einschließen aktiver Komponenten verbessert wahrscheinlich die Leistung und ist daher gängige Praxis im Design von Audio-Hochpassfiltern.
Passive Hochpassfilter sind immer noch in bestimmten Anwendungen zu finden, und es gibt sogar passive EQ-Einheiten auf dem Markt, die per Definition passive HPFs haben (wenn sie einen Hochpassfilter enthalten).
Beachten Sie, dass es bei passiven EQs eine Verstärkungsstufe für die „Make-up-Verstärkung“ nach den Filterschaltungen gibt. Es ist nur so, dass es keine aktiven Komponenten innerhalb der Filterschaltung gibt.
Aktive Hochpassfilter
Tatsächlich sind die meisten Audio-Hochpassfilter aktiv.
Analoge aktive HPFs verwenden typischerweise Betriebsverstärker in ihren Designs. Operationsverstärker können in Einheitsverstärkungsfiltern verwendet werden, um die Signalamplitude aufrechtzuerhalten, ohne die Signalamplitude zu erhöhen. Sie können auch verwendet werden, um der Schaltung Verstärkung zu bieten.
Durch die Integration eines aktiven Operationsverstärkers können HPF-Entwickler die Roll-of-Steigung steiler machen, ohne die Gesamtsignalamplitude am Ausgang zu verlieren.
Zusätzlich zur Verstärkung verbessern Operationsverstärker die Ausgangs-/Quellenimpedanz des Filters erheblich.
Operationsverstärker können Impedanzen am Ausgang des Filters effektiv überbrücken, so dass der Filter die Last (den Eingang des folgenden Audiogeräts) richtig steuern kann. Operationsverstärker können auch in Filtern höherer Ordnung verwendet werden, um das Signal innerhalb der Schaltung zu puffern, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis, die Verstärkung und die Gesamtleistung verbessert werden.
Hier ist ein Beispiel für einen aktiven RC-Hochpassfilter erster Ordnung mit Einheitsverstärkung:
Beachten Sie, dass es dem oben genannten passiven RC-Filter sehr ähnlich sieht. Der Hauptunterschied ist natürlich der Operationsverstärker. In diesem Fall bietet der Operationsverstärker keine Verstärkung des Signals. Vielmehr erhält es die Einheitsverstärkung und ermöglicht eine geeignete Ausgangsimpedanz für die Hochpassfilterschaltung.
Werfen wir nun einen Blick auf einen einfachen RC-Hochpassfilter erster Ordnung, der Verstärkung bietet:
Der Gewinn AV des nicht-invertierenden Verstärkers wird durch folgende Gleichung einschließlich des Rückkopplungswiderstands (R2) und den entsprechenden Eingangswiderstand (R1):
Die Verstärkung der Gesamtschaltung ist frequenzabhängig (da der Hochpassfilter niedrigere Frequenzen dämpft). Diese Verstärkung kann mit der folgenden Gleichung definiert werden:
Mit dieser Gleichung können wir Folgendes beobachten:
- Bei niedrigen Frequenzen (f < fC): A = Vaus/Vin < AV
- Bei der Grenzfrequenz (f = fC): A = Vaus/Vin = AV/√2 = 0,707 AV
- Bei hohen Frequenzen (f > fC): A = Vaus/Vin ≈ AV
Wenn Stecker 0,707 AV in die folgende Gleichung für Dezibel können wir bestätigen, dass die Grenzfrequenz tatsächlich bei -3 dB von der Einheit liegt:
Wenn wir uns einen aktiven Hochpassfilter zweiter Ordnung (in einem vereinfachten Schaltplan) ansehen, hätten wir Folgendes:
Wenn wir es mit Filtern zweiter Ordnung (und höher) zu tun haben, haben wir einen Dämpfungsfaktor in der Schaltung. Der Dämpfungsfaktor dieser einfachen Sallen-Key-Filtertopologie beträgt:
So ist das RF und RIch Werte sind an der Bestimmung der Verstärkung und des Dämpfungsfaktors der Schaltung beteiligt. Das RF und RIch Bestimmen Sie auch, ob wir einen Butterworth-, Bessel- oder Chebyshev-Filter haben. Beachten Sie, dass Folgendes nur für einen Filter zweiter Ordnung gilt:
- Butterworth:
- RF / RIch = 0,586
- DF = 1,414
- EinV = 4 dB
- Bessel:
- RF / RIch < 0,586
- DF > 1.414
- EinV < 4 dB
- Tschebyschew:
- RF / RIch > 0,586
- DF < 1.414
- EinV > 4 dB
Werfen wir nun einen Blick auf einen RC-Hochpassfilter sechster Ordnung:
In diesem Fall können wir sehen, dass es 3 Operationsverstärker gibt (1 für jedes RC-Paar). Diese Operationsverstärker helfen, die Schaltung zu puffern und eine ordnungsgemäße Verstärkungsinszenierung während des gesamten Filterkreislaufs aufrechtzuerhalten. Durch die Pufferung innerhalb der Schaltung halten wir eine ordnungsgemäße Impedanzüberbrückung zwischen den Paaren der RC-Komponenten aufrecht. Das Hinzufügen von Verstärkung (und Dämpfungsfaktor) mit jedem Operationsverstärker hilft, die Signalstärke und ein korrektes Signal-Rausch-Verhältnis beizubehalten.
Bei einem Setup sechster Ordnung hätte die Abrollsteigung dieses Hochpassfilters eine Steigung von 36 dB / Oktave oder 120 dB / Dekade unter der Grenzfrequenz (vorausgesetzt, es handelt sich um einen Butterworth-Filter).
Der HPF könnte den Butterworth-, Bessel-, Chebyshev- oder jeden anderen möglichen Tiefpassfilter-„Typ“ annehmen, der angesichts der Topologie gegeben ist. Die verschiedenen RF / RIch Die Verhältnisse zwischen den 3 Sätzen unterscheiden sich von denen, die oben für den Filter zweiter Ordnung definiert wurden.
Dies ist ungefähr das Ausmaß, auf das wir in diesem Artikel eingehen werden. Es gibt viele ausführlichere Artikel (und Elektronik-Engineering-Kurse) über Filterdesign. Die hier geteilten Informationen sind mehr als genug, um die Grundlagen von HPFs abzudecken, die in Audio verwendet werden.
Zusammenfassung zu aktiven und passiven Hochpassfiltern
Hier ist eine kurze Tabelle, um zusammenzufassen, was wir in diesem Abschnitt besprochen haben.
| Aktives Audio HPF | Passives Audio HPF |
|---|---|
| Benötigt Strom | Benötigt keinen Strom |
| Enthält aktive und passive Komponenten (einschließlich Operationsverstärker) | Enthält nur passive Bauelemente (Widerstände, Kondensatoren usw.) |
| Bietet Verstärkung über Einheitsgewinn (Boosts zusätzlich zu Schnitten) | Kann keine Verstärkung über den Einheitsgewinn hinaus bieten (nur Schnitte) |
| Niedrige Ausgangsimpedanz (lastunabhängige Leistung) | Höhere Ausgangsimpedanz (lastabhängige Leistung) |
| Höhere Herstellungskosten | Geringere Herstellungskosten |
Zusätzliche Punkte könnten gemacht werden, die für Audio-HPFs nicht so anwendbar sind (wie für sehr hochfrequente Signale), aber trotzdem erwähnenswert sind:
- Passive HPFs können Induktivitäten enthalten.
- Aktive HPFs können aufgrund des Operationsverstärkers nicht so hohe Signalamplituden verarbeiten wie passive Filter.
- Aktive HPFs haben aufgrund des Operationsverstärkers eine begrenzte Bandbreite.
Mischen mit Hochpassfiltern
Nun, da wir verstehen, was Hochpassfilter sind und wie sie funktionieren, schauen wir uns an, wie sie im Zusammenhang mit der Audiomischung verwendet werden.
Hochpassfilter werden zum Mischen auf folgende Weise verwendet:
- Herausfiltern von Low-End-Rumble-/Schneidproblemfrequenzen
- Reduzieren Sie den Wettbewerb zwischen Instrumenten im Low-End-Bereich
- Akzentuierung der Grundlagen der Perkussion mit Resonanz
- Automatisieren!
Herausfiltern von Low-End-Rumble-/Schneidproblemfrequenzen
Hochpassfilter sind unschätzbare Werkzeuge, wenn es darum geht, unnötige und oft schädliche Low-End-Informationen aus Spuren in einem Mix zu entfernen.
Low-End-Rumpeln kann durch Verkehr, HLK, Baustellen, Knallen und andere Vibrationen im Studio entstehen. Andere Low-End-Probleme können durch elektromagnetisches Rauschen und Störungen im Audiosystem entstehen.
Rückkopplungen können auch im unteren Bereich ein Problem sein, ebenso wie Resonanzen innerhalb der akustischen Umgebung.
Dieses Geräusch ist nicht musikalisch und kann eine ansonsten großartige Mischung ruinieren.
Mit Hochpassfiltern können wir das nicht-musikalische Low-End-Rauschen effektiv herausfiltern, wodurch der Headroom des Gesamtmixes verbessert und die Low-End-Frequenzbänder für Quellen / Instrumente bereinigt werden, die tatsächlich wichtige Informationen enthalten (Kickdrums, Bassgitarre, Tuben usw.).
Reduzieren Sie den Wettbewerb zwischen Instrumenten im Low-End-Bereich
Dies knüpft gut an den vorherigen Punkt an. Mit dem Hochpass Filtern Sie Instrumente, die in Bezug auf musikalische / wichtige Low-End-Informationen nichts zu bieten haben, bereinigen wir ein Frequenzband für diejenigen Instrumente, die Low-End-Informationen bieten.
Akzentuierung der Grundlagen der Perkussion mit Resonanz
Es mag kontraintuitiv erscheinen, dass ein Schneidefilter Frequenzen akzentuieren könnte.
Für diese Mischtechnik benötigen wir einen Hochpassfilter, der eine gewisse Resonanz oder Welligkeit in der Nähe seiner Grenzfrequenz bietet. Wenn wir diese Resonanz haben, können wir die Grundlagen eines Signals (Kick Drum, Snare Drum, Tom Drum usw.) effektiv verstärken, während wir alle nicht-musikalischen Informationen unterhalb des Fundamentals entfernen.
Automatisieren!
Die Automatisierung eines Hochpassfilters kann mit großer Wirkung verwendet werden, um klangliches Interesse an einer Schallquelle zu erzeugen.
Wenn Sie sich für Synthesizer interessieren, wissen Sie wahrscheinlich, wie die Automatisierung oder anderweitige Modulation des Hochpassfilters coole Ergebnisse erzeugen kann.
Hüllkurvenfilter-Effektpedale können auch einen Hochpassfilter modulieren, um ihren Klangeffekt zu erzielen, insbesondere wenn ein Resonanzspitze in der Nähe des Cutoffs.
Wenn es um eigenständige Hochpassfilter geht, können wir diese Effekte auf jede Klangquelle ausdehnen, indem wir den Hochpassfilter (insbesondere den Grenzfrequenzparameter) automatisieren.
Wir können die Automatisierung auch nutzen, um die wahrgenommene Tiefe der Spur effektiv zu erhöhen oder zu verringern und auch Reduzieren Sie den Wettbewerb im unteren Bereich wie andere Tracks in das Arrangement eingeführt (oder herausgenommen) werden.
Andere Anwendungen von Hochpassfiltern in Audio
Hochpassfilter werden nicht nur beim Mischen eingesetzt, wenn es um Audiotechnik geht. In diesem Abschnitt werfen wir einen Blick auf andere Anwendungen für Hochpassfilter.
Weitere Anwendungen von Hochpassfiltern sind:
- Öffentlichkeitsarbeite-Hervorhebungsfilter
- Lautsprecher-Frequenzweichen
- Feedback-Steuerung
- Einbindung in Bandpassfilter
- Einbindung in Bandstopp-Filter
- Mikrofonschalter
Vorbetonungsfilter
Vorbetonungsfilter werden in Systemen verwendet, in denen Vor- und Nachbetonung für eine verbesserte Signalübertragung erforderlich sind. Diese Anwendungen sind vor allem UKW-Radio und Vinyl-Aufnahme / -Wiedergabe.
Vorschwerpunktfilter sind im Allgemeinen Hochpassfilter, Low Shelf Cut oder High Shelf Boost-Filter. Sie werden verwendet, um das Signal-Rausch-Verhältnis im High-End-Bereich (mit UKW-Radio) zu verbessern oder die Speicherung zu verbessern (Vinyl ist notorisch schlecht darin, Low-End-Informationen in seinen Rillen zu speichern).
Bei der Wiedergabe wird dann ein Entspannungsfilter benötigt, um den Effekt des Vorbetonungsfilters rückgängig zu machen und das Signal wieder auf seinen ursprünglichen Frequenzgang zu bringen.
Zur Veranschaulichung ist hier ein Bild eines Vorbetonungsfilters (in rosa) und eines Entspannungsfilters (in blau) für UKW-Radio (Zeitkonstante von 75 μs und eine Grenzfrequenz von 2.122 Hz):
In ähnlicher Weise ist der RIAA-Entzerrungsstandard ein Pre/De-Emphasis EQ für die Aufnahme und Wiedergabe von Phonographen/Schallplatten. Es wird durch das Bild unten dargestellt, wobei die blaue Linie den Wiedergabe-EQ (De-Emphasis) und die rosa Linie den Aufnahme-EQ (Vorbetonung) darstellt:
Lautsprecher-Frequenzweichen
Einzelne Lautsprechertreiber (die Lautsprechereinheiten selbst) sind notorisch schlecht darin, den gesamten hörbaren Bereich des menschlichen Gehörs wiederzugeben. Aus diesem Grund werden Lautsprecher und Studiomonitore oft mit mindestens zwei Lautsprechern geliefert (in der Regel ein Mitteltöner und ein Hochtöner, wenn nicht mehr).
In größeren Systemen gibt es in der Regel einen Subwoofer (oder mehrere), die in der Lage sind, die Low-End-Informationen effektiv zu reproduzieren.
Damit jeder Treiber optimal arbeitet, sollte jedem Laufwerk nur das Frequenzband gesendet werden, in dem es als Wandler wiedergegeben werden soll. Frequenzweichen tun genau das, indem sie das eingehende Audiosignal in verschiedene Bänder aufteilen, um die einzelnen Lautsprechertreiber richtig anzutreiben.
Um das an die Hauptlautsprecher gesendete Audiosignal vom Subwoofer aufzuteilen, kann ein Hochpassfilter verwendet werden.
Um das an die Hochtöner gesendete Audiosignal im Vergleich zu den anderen Lautsprechern aufzuteilen, kann ein Hochpassfilter verwendet werden.
Feedback-Steuerung
Feedback ist immer möglich, wenn Mikrofone und Lautsprecher im selben System verwendet werden.
Die Low-End-Resonanzen einer akustischen Umgebung können eine Belastung sein, wenn es um Feedback geht.
Low-End-Frequenzen verursachen eher Rückkopplungen, da sie die festen Strukturen der Umgebung vibrieren. Ein Subwoofer kann beispielsweise die Bühne vibrieren lassen, und wenn die Mikrofone auf der Bühne nicht richtig isoliert sind, können sie diese Low-End-Vibration aufnehmen und verursachen eine Low-End-Rückkopplungsschleife.
Eine Möglichkeit, dies zu bekämpfen, besteht darin, die Mikrofonsignale, die nicht für die Aufnahme von Low-End-Frequenzen positioniert sind, einfach hochzuleiten.
Einbindung in Bandpassfilter
Was ist ein Bandpassfilter im Audiobereich? Ein Bandpassfilter „passiert“ ein Frequenzband (ein definierter Bereich oberhalb eines niedrigen Grenzwerts und unterhalb eines hohen Grenzwerts), während er Frequenzen unterhalb des niedrigen Grenzwerts und oberhalb des hohen Grenzwerts progressiv dämpft.
Bandpassfilter können als Hochpass- und Tiefpassfilter in Serie/Kaskade betrachtet werden. Die Hochpassfilter-Grenzfrequenz (fH) niedriger als die Tiefpassfilter-Grenzfrequenz (fL).
Hier ist eine visuelle Darstellung eines Bandpassfilterfrequenzdiagramms:
Und hier ist ein vereinfachter Schaltplan, der einen analogen Bandpassfilter mit einem Hochpassfilter erster Ordnung und einem Tiefpassfilter erster Ordnung darstellt:
Einbindung in Bandstopp-Filter
Was ist ein Bandstoppfilter in Audio? Ein Bandstoppfilter (auch bekannt als Notch-Filter oder Band-Reject-Filter) entfernt Frequenzen in einem bestimmten Band innerhalb des gesamten Frequenzspektrums. Es lässt Frequenzen unterhalb des niedrigen Grenzwerts mit Frequenzen über dem hohen Grenzwert passieren.
Bandstoppfilter können als Hochpass- und Tiefpassfilter parallel betrachtet werden. Die Hochpassfilter-Grenzfrequenz (fH) größer als die Tiefpassfilter-Grenzfrequenz (fL).
Hier ist eine visuelle Darstellung eines Bandstopfilterfrequenzdiagramms:
Und hier ist ein vereinfachter Schaltplan, der einen analogen Bandstoppfilter mit einem Hochpassfilter erster Ordnung und einem Tiefpassfilter erster Ordnung darstellt:
Mikrofonschalter
Einige Mikrofone verfügen über eingebaute Hochpassfilterschalter, die ein- und ausgeschaltet werden können.
Indem wir das HPF am Mikrofon aktivieren, wenn die Anwendung es erfordert, können wir ein saubereres Direktsignal aufzeichnen und uns weniger auf andere Prozesse in der Signalkette verlassen.
Mikrofon-Hochpassfilter werden häufig aus folgenden Gründen eingesetzt:
- Um Low-End-Rumpeln und Rauschen im Signal zu beseitigen
- Um den Näherungseffekt in Richtmikrofonen zu reduzieren
- Zur Reduzierung von Plosiven in Richtmikrofonen
- Um unnötiges Low-End zu entfernen, damit ein Mikrofonsignal besser in einen Mix passt
Das AKG C 414 XLII (Link zum Überprüfen des Preises bei Amazon) ist ein Beispiel für ein Mikrofon mit 3 verschiedenen Hochpassfilterschaltern (zusammen mit einer Option zum Deaktivieren jeglicher Filterung). Diese Hochpassfilteroptionen sind definiert als:
- HPF @ 40 Hz mit −12 dB/Oktave Roll-off
- HPF @ 80 Hz mit −12 dB/Oktave Roll-off
- HPF @ 160 Hz mit −6 dB/Oktav Roll-off
Verwandte Fragen
Was ist ein Tiefpassfilter im Audio-EQ? Ein Tiefpassfilter (LPF) „passiert“ die tiefen Frequenzen unterhalb ihres Cutoffs, während die Frequenzen über ihrem Cutoff progressiv abgeschwächt werden. Mit anderen Worten, Tiefpassfilter entfernen hochfrequente Inhalte aus einem Audiosignal oberhalb eines definierten Grenzwerts.
Was ist ein Regal-EQ? Shelving EQ verwendet High- und/oder Low-Shelf-Filter, um alle Frequenzen über oder unter einer bestimmten Grenzfrequenz zu beeinflussen. Regale können entweder zum Verstärken / Verstärken oder Schneiden / Dämpfen verwendet werden und beeinflussen alle Frequenzen ab einem bestimmten Punkt gleichermaßen.
